ACS Catal：芳基氟烷基钯过渡态中间体的理论研究

纳米技术

2023-09-19

通过Pd催化对芳基卤化物氟烷基化反应能够制备生物活性氟化有机分子。在该反应中，中间体Pd(aryl)(fluoroalkyl)还原消除是生成C(aryl)-C(fluoroalkyl)化学键的步骤，该反应步骤通常需要比较高的反应温度，而且含氟底物的反应速率比不含氟的底物生成C(aryl)-C(alkyl)更慢。该反应步骤的速率与氟烷基配体的缺电子能力或立体效应基本无关，这个现象导致Pd催化氟烷基化反应的预测和设计非常困难。因此，人们需要对氟烷基配体影响该反应步骤能垒的因素进行系统研究，相关问题包括立体位阻效应、缺电子效应、次级相互作用。通过对这些问题进行系统研究，有助于发展能够在温和反应条件进行，并且具有更好氟烷基兼容性的氟烷基化反应。

有鉴于此，加州大学伯克利分校John F. Hartwig等通过理论计算研究氟烷基配体（R^F）（R^F = CF₂CN, CF₂C(O)Me等）对修饰二叔丁基（2-甲氧基苯基）膦双齿配体的Pd(aryl)(R^F)还原消除反应能垒的影响。

主要内容

（1）

理论计算还原消除反应步骤的Gibbs自由能，发现室温能够快速的生成氟烷基芳烃，除了R^F = CF₃, CF₂Me, C₂F₅, CF₂CFMe₂, CF₂Et, CF₂iPr, CF₂tBu。通过自然化学键轨道（NBO）理论分析和独立梯度模型（IGMH）分析过渡态，发现Pd和氢原子或者与R^F配体结合的π酸α-碳之间的轨道相互作用能够稳定 Pd(aryl)(R^F)的低能量过渡态。通过比较不同过渡态结构，说明稳定能量的数值大约4.7-9.9 kcal/mol。

（2）

当没有次级轨道相互作用时，具有更高缺电子能力的氟烷基配体能够导致产生更高的还原消除反应的能垒。通过理论计算对含有对位芳基取代基的Pd催化剂，发现电子浓度更高的芳基配体有助于降低过渡态能垒。但是，计算的反应能垒与芳基配体的电子性质之间并不存在决定性关系。

参考文献

Eric D. Kalkman, Yehao Qiu, and John F. Hartwig*, Transition-State Stabilization by Secondary Orbital Interactions between Fluoroalkyl Ligands and Palladium During Reductive Elimination from Palladium(aryl)(fluoroalkyl) Complexes, ACS Catal. 2023, 13, 12810–12825

DOI: 10.1021/acscatal.3c02648

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.3c02648